NO178005B

NO178005B - Downhole motor for drilling

Info

Publication number: NO178005B
Application number: NO881426A
Authority: NO
Inventors: Djurre Hans Zijsling
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1995-09-25
Also published as: US4844180A; AU607477B2; ATE83040T1; DE3876274T2; NO881426D0; EP0288123A2; AU1430688A; NO178005C; DE3876274D1; EP0288123B1; CA1330076C; EP0288123A3; NO881426L; GB8709380D0

Abstract

A downhole drilling motor comprises an output shaft which is allowed to translate in axial direction relative to the motor housing over a predetermined stroke. During operation of the motor fluid pressure of a drilling fluid pumped to a rotary drill bit driven by the motor may be used to exert a predetermined axial force to the output shaft so as to control the axial force exerted to the bit during drilling.

Description

Oppfinnelsen angår en fluidumdrevet motor for boring nede i et borehull, hvilken motor omfatter et hus, en drivaksel, en lagerenhet for føring av akselen i forhold til huset på en slik måte at akselen tillates å rotere om en sentral akse av denne, idet lagerenheten videre tillater akselen å beveges i aksial retning i forhold til huset over en forutbestemt slaglengde, og en anordning for utøvelse av en aksialkraft mellom drivakselen og motorhuset. The invention relates to a fluid-driven motor for drilling down a borehole, which motor comprises a housing, a drive shaft, a bearing unit for guiding the shaft in relation to the housing in such a way that the shaft is allowed to rotate about a central axis thereof, the bearing unit further allowing the shaft to move axially relative to the housing over a predetermined stroke length, and a device for exerting an axial force between the drive shaft and the motor housing.

Motorer for boring nede i borehull omfatter vanligvis et motorhus som er tilkoplet ved den nedre ende av en langstrakt borestreng, og en drivaksel som driver en roterende borkrone. Motorene er vanligvis hydrauliske motorer som drives ved hjelp av strømmen av borefluidum gjennom borestrengen. Downhole drilling motors typically comprise a motor housing that is connected to the lower end of an elongated drill string, and a drive shaft that drives a rotating drill bit. The motors are usually hydraulic motors that are driven by the flow of drilling fluid through the drill string.

Under boreoperasjoner utnyttes vanligvis vekten av boreaggregatet til å utøve en aksialkraft på borkronen. Størrel-sen av denne aksialkraft kan fluktuere under boring som følge av friksjon mellom borestrengen og borehullveggen og som følge av borestrengdynamikk. Konvensjonelle borehullsmotorer har en tendens til å stanse dersom en fluktuerende aksialkraft utøves på borkronen, på grunn av at slike fluktuasjoner genererer liknende fluktuasjoner i borkrone-dreiemoment. During drilling operations, the weight of the drilling unit is usually used to exert an axial force on the drill bit. The magnitude of this axial force can fluctuate during drilling as a result of friction between the drill string and the borehole wall and as a result of drill string dynamics. Conventional downhole motors tend to stall if a fluctuating axial force is applied to the bit, because such fluctuations generate similar fluctuations in bit torque.

Fra norsk patent nr. 156 763 er det kjent en borehullsmotor med en drivaksel som tillates å bevege seg i aksial retning i forhold til motorhuset. En aksialkraft mellom drivakselen og motorhuset er tilveiebrakt ved hjelp av fjærelementer. Denne aksialkraft avhenger av den aksiale forskyvning av drivakselen i forhold til motorhuset, slik at den aksialkraft som utøves på borkronen, også avhenger av denne forskyvning. From Norwegian patent no. 156 763, a borehole motor is known with a drive shaft which is allowed to move in an axial direction in relation to the motor housing. An axial force between the drive shaft and the motor housing is provided by means of spring elements. This axial force depends on the axial displacement of the drive shaft in relation to the motor housing, so that the axial force exerted on the drill bit also depends on this displacement.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en borehullsmotor for hvilken aksialkraften på utgangsakselen er uavhengig av den aksiale forskyvning av drivakselen i forhold til motorhuset. It is an object of the invention to provide a borehole motor for which the axial force on the output shaft is independent of the axial displacement of the drive shaft in relation to the motor housing.

Ovennevnte formål oppnås med en motor av den innled-ningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at aksialkraf ten mellom drivakselen og motorhuset er tilveiebrakt av fluidumtrykket av det drivfluidum som driver motoren i borehullet. The above-mentioned purpose is achieved with a motor of the type indicated at the outset which, according to the invention, is characterized by the fact that the axial force between the drive shaft and the motor housing is provided by the fluid pressure of the drive fluid which drives the motor in the borehole.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er motoren en hydraulisk motor av Moineau-typen. En Moineau-motor er særlig attraktiv for innlemmelse av den aksialt glidbare aksel på grunn av at forsegling av rotoren i statorhuset er garantert for hvilken som helst aksial rotorstilling, hvilket er uløselig forbundet med Moineau-motorprinsippet. Motorens rotor kan videre utnyttes som et middel for å pålegge en aksialkraft på drivakselen, siden den utpumpingskraft som virker på rotoren, allerede utøver en aksialkraft på drivakselen som drives av rotoren. In a preferred embodiment of the invention, the motor is a hydraulic motor of the Moineau type. A Moineau motor is particularly attractive for incorporating the axially sliding shaft because sealing of the rotor in the stator housing is guaranteed for any axial rotor position, which is inextricably linked to the Moineau motor principle. The motor's rotor can further be utilized as a means of imposing an axial force on the drive shaft, since the pumping out force acting on the rotor already exerts an axial force on the drive shaft driven by the rotor.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk snittriss av den nedre del av en borehullsmotor ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et skjematisk snittriss av den nedre del av en annen boremotor som omfatter oppfinnelsen. The invention will be described in more detail below with reference to the drawings, where fig. 1 shows a schematic sectional view of the lower part of a borehole motor according to the invention, and fig. 2 shows a schematic sectional view of the lower part of another drilling motor which includes the invention.

På fig. 1 er det vist en borehullsmotor av Moineau-typen. Motoren omfatter et motorhus 1 i hvilket en gummistator 2 er fastgjort. Motoren omfatter videre en skruelinjeformet rotor 3 som er forbundet med en drivaksel 4 via et universalledd 5. Drivakselen 4 er styrt av en lagerenhet 6 som er montert ved den nedre ende av motorhuset 1, slik at akselen 4 tillates å dreie om en sentral akse av denne og å bevege seg i aksial retning i forhold til huset 1. In fig. 1, a downhole motor of the Moineau type is shown. The motor comprises a motor housing 1 in which a rubber stator 2 is attached. The motor further comprises a helical rotor 3 which is connected to a drive shaft 4 via a universal joint 5. The drive shaft 4 is controlled by a bearing unit 6 which is mounted at the lower end of the motor housing 1, so that the shaft 4 is allowed to rotate about a central axis of this and to move in an axial direction in relation to housing 1.

Lagerenheten 6 har en sylindrisk innerflate som omgir en del av lengden av den sylindriske, ytre overflate 8 av et rørformet avsnitt av akselen 4, og er videre utstyrt med et aksial- eller trykklager 7. The bearing unit 6 has a cylindrical inner surface which surrounds part of the length of the cylindrical outer surface 8 of a tubular section of the shaft 4, and is further equipped with an axial or thrust bearing 7.

Ved den nedre ende av drivakselen 4 er det montert en roterende borkrone 9. Ved sin øvre ende bærer akselen 4 et trykklager 10. Den øvre ende av en monteringsdel 11 som bærer borkronen 9, og trykklagrene 7 og 10 tilveiebringer stoppere som begrenser den aksiale slaglengde over hvilken drivakselen 4 tillates å bevege seg i forhold til motorhuset 1. At the lower end of the drive shaft 4, a rotating drill bit 9 is mounted. At its upper end, the shaft 4 carries a thrust bearing 10. The upper end of a mounting part 11 that carries the drill bit 9, and the thrust bearings 7 and 10 provide stops that limit the axial stroke length over which the drive shaft 4 is allowed to move relative to the engine housing 1.

Under drift av motoren strømmer borefluidum som passerer gjennom motoren, fra et fluidumutløpskammer 12 via en rekke radiale portåpninger 13 og en sentral passasje 14 i den hule aksel 4 i retning mot stråledyser 15 i borkronen 9. De radiale portåpninger 13 er beliggende i forskjellige aksialstil-linger like under trykklageret 10, slik at når drivakselen 4 beveger seg i retning mot sin nederste stilling, tettes åpningene gradvis av den indre overflate 7 av radiallageret 6. During operation of the motor, drilling fluid that passes through the motor flows from a fluid outlet chamber 12 via a series of radial port openings 13 and a central passage 14 in the hollow shaft 4 in the direction of jet nozzles 15 in the drill bit 9. The radial port openings 13 are located in different axial positions lingers just below the thrust bearing 10, so that when the drive shaft 4 moves in the direction towards its lowest position, the openings are gradually sealed by the inner surface 7 of the radial bearing 6.

Den økede strømningsmotstand som forårsakes av gjentet-tingen av portåpningene 13, kan detekteres ved overflaten som et øket pumpe- eller stigerørtrykk. Som reaksjon på den nevnte trykkøkning kan borestrengen som bærer motoren, nedsenkes en avstand som svarer til slaglengden av drivakselen 4, slik at akselen 4 bringes tilbake til en tilbaketrukket stilling av denne. Det nevnte trinn med nedsenkning av borestrengen gjentas hver gang et øket pumpetrykk registreres, slik at drivakselen 4 stadig holdes mellom endene av sitt slag. The increased flow resistance caused by the resealing of the port openings 13 can be detected at the surface as an increased pump or riser pressure. In response to the aforementioned pressure increase, the drill string carrying the motor can be lowered a distance corresponding to the stroke length of the drive shaft 4, so that the shaft 4 is brought back to a retracted position thereof. The aforementioned step of lowering the drill string is repeated every time an increased pump pressure is registered, so that the drive shaft 4 is constantly held between the ends of its stroke.

Under drift av motoren blir den aksiale "utpumpings"-kraft som virker på rotoren 3, hvilken kraft er proporsjonal med trykkforskjellen over motoren (som er proporsjonal med det av motoren tilveiebrakte dreiemoment), overført via universal leddet 5 til drivakselen 4. Et andre bidrag til utpumpingskraften som virker på drivakselen, er et resultat av trykkforskjellen over borkronedysene 15. Den aksialkraft eller "vekt på borkronen ("Weight-On-Bit" = WOB) som utøves fra drivakselen 4 til borkronen 9, er således proporsjonal med det dreiemoment som tilveiebringes av motoren og med trykkfallet over borkronens dyser 15, hvilket trykkfall er proporsjonalt med boreslammets sirkulasjonshastighet i kvadrat. During operation of the engine, the axial "pump-out" force acting on the rotor 3, which force is proportional to the pressure difference across the engine (which is proportional to the torque provided by the engine), is transmitted via the universal joint 5 to the drive shaft 4. A second contribution to the pumping-out force acting on the drive shaft is a result of the pressure difference across the bit nozzles 15. The axial force or "weight on the bit ("Weight-On-Bit" = WOB) which is exerted from the drive shaft 4 to the bit 9 is thus proportional to the torque which is provided by the engine and with the pressure drop across the drill bit's nozzles 15, which pressure drop is proportional to the square of the drilling mud's circulation speed.

Om nødvendig kan den aksialkraft som utøves på borkronen 9 under drift av motoren, styres ytterligere ved å anordne en aksialfjær eller aksialfjærer mellom trykklageret 10 og motorhuset 1, eller ved å forsyne drivakselen med et hydraulisk trykkstempel som vist på fig. 2. If necessary, the axial force exerted on the drill bit 9 during operation of the motor can be further controlled by arranging an axial spring or axial springs between the pressure bearing 10 and the motor housing 1, or by supplying the drive shaft with a hydraulic pressure piston as shown in fig. 2.

På fig. 2 er vist den nedre del av en Moineau-boremotor som er forsynt med en aksialt glidbar drivaksel 20 som bærer et hydraulisk trykkstempel 21. In fig. 2 shows the lower part of a Moineau drilling motor which is provided with an axially sliding drive shaft 20 which carries a hydraulic pressure piston 21.

Trykkstempelet 21 deler et rørformet avsnitt 22 av husets indre i et øvre avsnitt 22A og et nedre avsnitt 22B. Det øvre avsnitt 22A står i fluidumforbindelse med et fluidumutløps-kammer 23 som er beliggende nedstrøms av rotoren 24. Det nedre avsnitt 22B står i f luidumforbindelse med det indre av borestrengen (ikke vist) over motoren via en omføringsåpning 25 i motorhuset 26. Under drift av motoren utøver trykkstempelet 21 således en oppadrettet aksialkraft på drivakselen 20 som er proporsjonal med trykkforskjellen over motoren og med størrelsen av trykkstempelet 21. Den oppadrettede aksialkraft som utøves av trykkstempelet 21 på akselen 20, motvirker i det minste delvis den nedadrettede utpumpingskraft som utøves av rotoren 24 på drivakselen 20 via universalleddet 27. The pressure piston 21 divides a tubular section 22 of the housing interior into an upper section 22A and a lower section 22B. The upper section 22A is in fluid communication with a fluid outlet chamber 23 located downstream of the rotor 24. The lower section 22B is in fluid communication with the interior of the drill string (not shown) above the engine via a bypass opening 25 in the engine housing 26. During operation of the engine, the pressure piston 21 thus exerts an upward axial force on the drive shaft 20 which is proportional to the pressure difference across the engine and to the size of the pressure piston 21. The upward axial force exerted by the pressure piston 21 on the shaft 20 at least partially counteracts the downward pumping force exerted by the rotor 24 on the drive shaft 20 via the universal joint 27.

Ved passende dimensjonering av trykkstempelet 21 i forhold til størrelsen og formen på rotoren 24 kan det på drivakselen 20 utøves en total aksialkraft som er mindre enn den utpumpingskraft som utøves på rotoren 24. By suitably dimensioning the pressure piston 21 in relation to the size and shape of the rotor 24, a total axial force can be exerted on the drive shaft 20 which is less than the pumping force exerted on the rotor 24.

Dersom på den annen side den utpumpingskraft som utøves på rotoren 24, anses som altfor lav for riktig drift av borkronen som drives av motoren, kan det nedre husavsnitt 22B tilkoples i fluidumforbindelse med det ytre av motoren via en radial åpning i husveggen i stedet for med motorens fluiduminnløp. I dette tilfelle vil stempelet på drivakselen 20 utøve en aksialkraft som akkumuleres med utpumpingskraften som virker på rotoren 24. På den ovenfor omtalte måte kan motorens egenskaper med hensyn til dreiemoment og vekt på borkronen tilpasses til den optimale kombinasjon av dreiemoment og vekt på borkronen (WOB) for borkronen, slik at optimale driftsforhold kan opprettholdes under boring. If, on the other hand, the pumping force exerted on the rotor 24 is considered far too low for proper operation of the motor-driven drill bit, the lower housing section 22B may be connected in fluid communication with the exterior of the motor via a radial opening in the housing wall instead of with engine fluid inlet. In this case, the piston on the drive shaft 20 will exert an axial force which accumulates with the pumping-out force acting on the rotor 24. In the above-mentioned manner, the characteristics of the motor with regard to torque and weight on the drill bit can be adapted to the optimal combination of torque and weight on the drill bit (WOB ) for the drill bit, so that optimal operating conditions can be maintained during drilling.

Drivakselen 20 i den på fig. 2 viste motor er ført i forhold til motorhuset 26 ved hjelp av et radiallager 29 og ved hjelp av et trykklager 30. Trykklageret 30 hviler på radiallageret 29 dersom drivakselen 20 har nådd frem til den nedre ende av sitt slag. Den hule aksel 20 omfatter en rekke radiale f luiduminnløpsporter 31 som er beliggende over trykkstempelet 21, og en rekke radiale fluidumutløpsporter 32 som avstenges av radiallagerets 29 indre overflate dersom drivakselen 20 er beliggende over den øvre ende av sitt slag, men som står i forbindelse med motorens ytre 33 dersom drivakselen 20 har nådd frem til den nedre ende av sitt slag. The drive shaft 20 in the one in fig. 2 shown motor is guided in relation to the motor housing 26 by means of a radial bearing 29 and by means of a thrust bearing 30. The thrust bearing 30 rests on the radial bearing 29 if the drive shaft 20 has reached the lower end of its stroke. The hollow shaft 20 comprises a number of radial fluid inlet ports 31 which are located above the pressure piston 21, and a number of radial fluid outlet ports 32 which are closed off by the inner surface of the radial bearing 29 if the drive shaft 20 is located above the upper end of its stroke, but which is in connection with the engine's outer 33 if the drive shaft 20 has reached the lower end of its stroke.

Den reduserte strømningsmotstand som forårsakes av den nevnte åpning av fluidumutløpsportene 32, kan detekteres ved overflaten ved å overvåke pumpe- eller stigerørtrykket. Dersom et redusert stigerørtrykk registreres ved overflaten, nedsenkes borestrengen noe slik at drivakselen 20 skyves tilbake til en sammentrukket stilling. Dersom det overvåkede stigerørtrykk igjen avtar etter boring av et borehullsavsnitt med en lengde som er lik drivakselens slaglengde, blir borerøret igjen nedsenket noe, og denne prosess gjentas gjennom hele boreoperasjonene. The reduced flow resistance caused by said opening of the fluid outlet ports 32 can be detected at the surface by monitoring the pump or riser pressure. If a reduced riser pressure is detected at the surface, the drill string is lowered somewhat so that the drive shaft 20 is pushed back into a contracted position. If the monitored riser pressure decreases again after drilling a borehole section with a length equal to the stroke length of the drive shaft, the drill pipe is again lowered somewhat, and this process is repeated throughout the drilling operations.

Det vil innses at en Moineau-motor er særlig velegnet for innlemmelse av den foreliggende oppfinnelse, da avtetning mellom rotoren og statoren er garantert for hvilken som helst aksial stilling av rotoren i forhold til statoren, og da det ikke finnes noe annet lager enn drivakselens lager. Motorens rotor kan således bevege seg sammen med drivakselen i aksial retning gjennom motorhuset, og den utpumpingskraft som utøves av borefluidumet på rotoren, kan utnyttes til å utøve en ønsket aksialkraft på borkronen under boring. It will be appreciated that a Moineau motor is particularly suitable for incorporating the present invention, as sealing between the rotor and the stator is guaranteed for any axial position of the rotor relative to the stator, and as there is no bearing other than the drive shaft bearing . The motor's rotor can thus move together with the drive shaft in an axial direction through the motor housing, and the pumping force exerted by the drilling fluid on the rotor can be used to exert a desired axial force on the drill bit during drilling.

Det vil videre innses at også andre boremotorer kan omfatte oppfinnelsen. Slike andre motorer kan for eksempel være hydrauliske motorer, såsom turbin- eller skovlmotorer. Da det i slike andre motorer vanligvis ikke er mulig å tillate rotoren å gli i aksial retning i forhold til statoren, ville sådanne motorer kreve anordning av en kilesporforbindelse mellom rotoren og drivakselen, hvilken forbindelse tillater drivakselen å gli i aksial retning i forhold til rotoren. It will also be realized that other drilling motors can also encompass the invention. Such other motors can, for example, be hydraulic motors, such as turbine or vane motors. Since in such other motors it is usually not possible to allow the rotor to slide axially relative to the stator, such motors would require the provision of a keyway connection between the rotor and the drive shaft, which connection allows the drive shaft to slide axially relative to the rotor.

Motorkonseptet ifølge oppfinnelsen muliggjør riktig tilpasning av motorens dreiemoment- og vekt-på-borkrone(WOB)-ytelse til den optimale kombinasjon av dreiemoment og vekt-på-borkrone (WOB) for en borkrone som drives av motoren. Videre elimineres vekt-på-borkrone- eller WOB-fluktuasjoner som skriver seg fra borestrengdynamikk. Da motorens tendens til å stanse eller steile under boring elimineres på denne måte, skapes optimale driftsforhold for boring med meget aggressive borkroner, såsom selv-fremrykkende borkroner, hvilket muliggjør at et lett boreaggregat kan benyttes i borehullet. The motor concept according to the invention enables proper matching of the motor's torque and weight-on-bit (WOB) performance to the optimal combination of torque and weight-on-bit (WOB) for a motor-driven drill bit. Furthermore, weight-on-bit or WOB fluctuations resulting from drill string dynamics are eliminated. As the motor's tendency to stop or steep during drilling is eliminated in this way, optimal operating conditions are created for drilling with very aggressive drill bits, such as self-advancing drill bits, which enables a light drilling unit to be used in the borehole.

Utnyttelse av motorkonseptet ifølge oppfinnelsen i den styrbare boremotor som er vist i US-patentskrift 4 492 276, vil i betydelig grad forbedre verktøyflatestabiliteten under orientert boring, og således styre boreprosessen. Dette vil muliggjøre boring av lange, kraftig hellende eller til og med horisontale borehullsavsnitt med den styrbare boremotor. Utilization of the motor concept according to the invention in the controllable drilling motor shown in US patent 4,492,276 will significantly improve tool surface stability during oriented drilling, and thus control the drilling process. This will enable the drilling of long, heavily inclined or even horizontal borehole sections with the controllable drill motor.

Claims

1. Fluid-driven motor for drilling down a borehole, which motor comprises a housing (1), a drive shaft (4), a bearing unit (6) for guiding the shaft (4) in relation to the housing (1) in such a way that the shaft (4) is allowed to rotate about a central axis thereof, the bearing unit (6) further allowing the shaft (4) to be moved in an axial direction relative to the housing (1) over a predetermined stroke length, and a device for exerting an axial force between the drive shaft (4) and the motor housing (1), CHARACTERIZED BY the fact that the axial force between the drive shaft (4) and the motor housing (1) is provided by the fluid pressure of the drive fluid that drives the motor in the borehole.

2. Motor according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the drive shaft (4) projects from a lower end of the housing (1), and the bearing unit (6) comprises a low-friction bearing which is mounted near the lower end of the housing (1) and surrounds part of its length of a tubular section of the shaft (4).

3. Motor according to claim 2, CHARACTERIZED IN THAT the shaft (4) is provided with stop devices (7, 10, 11) which are mounted at the upper and lower ends of the tubular section.

4. Motor according to claim 3, CHARACTERIZED IN THAT the stop device at the lower end of the shaft (4) is provided by means of a mounting transition (11) of a rotating drill bit (9) which is carried by the shaft (4).

5. Motor according to claim 3, CHARACTERIZED IN THAT the stop device at the upper end of the shaft (4) is provided by a pressure bearing {10) which is carried by the shaft (4).

6. Motor according to claim 2, CHARACTERIZED IN THAT it is a hydraulic motor of the Moineau type, the motor comprising a rotor (3) which forms part of the aforementioned device for exerting an axial force between the drive shaft (4) and the motor housing (1).

7. Motor according to claim 6, CHARACTERIZED IN THAT the device for exerting an axial force between the shaft (20) and the motor housing (26) further comprises a pressure piston (21) which is mounted on the shaft (20) above the pressure bearing (30), which pressure piston ( 21) divides a tubular part (22) of the interior of the housing (26), which is located below the rotor (24), into an upper (22A) and a lower (22B) section.

8. Motor according to claim 7, CHARACTERIZED IN THAT the lower section (22B) of the tubular part (22) is in fluid connection with a fluid inlet of the motor, and the upper section (22A) of the tubular part (22) is in fluid connection with a fluid outlet (23) of the engine.

9. Motor according to claim 8, CHARACTERIZED IN THAT the drive shaft (20) comprises an axial fluid passage which at its upper end is in fluid connection with the motor's fluid outlet (23) via radial ports (31) in the wall of a part of the drive shaft (20) which is located above the pressure piston (21).

10. Motor according to claim 9, CHARACTERIZED IN THAT the tubular section of the drive shaft (20) comprises radial fluid outlet ports (32) which are closed off by the radial bearing (29) if the drive shaft (20) is located above the lower end of its stroke, but which provides a fluid connection between the fluid passage and the outside of the housing (26) if the drive shaft (20) is located at the lower end of its stroke.